CN114218694A - 一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机设计技术领域，具体涉及一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法。该方法包括步骤S1、基于构建的航空发动机模型，选取俯仰方向和偏航方向最大过载系数，高、低压转子最高转速状态作为计算节点，确定中介轴承处轴的第一偏转角；步骤S2、基于构建的发动机高低压转子模型，选取最大热负荷及高、低压转子最高转速状态作为计算节点，确定由高低压转子的鼓筒轴锥度变化引起的中介轴承处轴的第二偏转角；步骤S3、确定由支点不同轴度引起的轴的第三偏转角；步骤S4、累加确定圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角。本申请充分引入了热载荷、离心载荷、机动载荷、双转子系统、支点同轴度等工程使用环境，计算结果更精确。

Description

一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法

技术领域

本申请属于发动机设计技术领域，具体涉及一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法。

背景技术

机械设计手册中指出：轴在载荷作用下，将产生弯曲和扭转变形，若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作。因此在设计重要轴时，必须检验轴的变形量，即作轴的刚度校核。轴的刚度分为弯曲刚度和扭转刚度，弯曲刚度以挠度和偏转角来度量。

一般机械制造中，轴的弯曲变形允许值以轴承处偏转角作为标准，可采用材料力学的能量法、当量直径法、图解法等简化算法计算弯曲变形偏转角。但对于航空发动机中广泛使用的圆柱滚子中介轴承，由于结构、载荷、装配、使用等方面的复杂性，现有弯曲变形偏转角计算方法无法获得精确结果，不能满足轴刚度校核和轴承抗偏斜能力设计要求。

采用材料力学的能量法、当量直径法、图解法等简化算法计算弯曲变形偏转角存在以下缺点：

1.仅考虑轴弹性模量、截面惯性矩及轴长度、直径等基本属性因素，忽略航空发动机转子工作状态中温差、离心载荷、机动载荷等引起的弯曲变形；

2.仅能计算弯矩和单位力作用下弯曲变形，而航空发动机转子多为鼓筒轴结构，现有计算方法不能计算鼓筒轴锥度变形引起的轴承处变形偏转角；

3.仅能计算轴系弯曲变形，航空发动机采用的中介轴承，通过高、低压双转子系统，进而支撑在静子承力系统上，现有计算方法不能计算双转子系统，以及支点不同轴度引起的轴承处偏转角；

4.现有计算方法只能简单校核轴的弯曲刚度，对于航空发动机复杂结构和载荷条件下的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角计算，精度不能满足轴的刚度设计、轴承抗偏斜能力设计等工程设计要求。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，叠加复杂结构和载荷极限条件对轴弯曲变形影响，最终获得准确的轴的弯曲变形偏转角，供轴的刚度校核、轴承抗偏斜能力设计使用。

本申请提供的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，主要包括：

步骤S1、基于构建的航空发动机模型，选取俯仰方向和偏航方向最大过载系数，高、低压转子最高转速状态作为计算节点，以主安装节为原点，确定中介轴承处轴的第一偏转角；

步骤S2、基于构建的发动机高低压转子模型，选取最大热负荷及高、低压转子最高转速状态作为计算节点，确定由高低压转子的鼓筒轴锥度变化引起的中介轴承处轴的第二偏转角；

步骤S3、确定由支点不同轴度引起的轴的第三偏转角；

步骤S4、由所述第一偏转角、所述第二偏转角及所述第三偏转角累加确定圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角。

优选的是，步骤S1中，构建航空发动机模型时，低压转子和高压转子及机匣采用梁单元进行模拟，轴承、支承及安装节采用弹簧元进行模拟。

优选的是，步骤S2中，对于高压转子或者低压转子，根据轴与轴承配合的两个端点的距离及变形差确定轴在轴承处的锥度变形。

优选的是，对于双转子系统的中介轴承，分别确定高、低压两套转子在轴承处的偏转角，再根据偏转方向叠加偏转角度，形成所述第二偏转角。

优选的是，步骤S3中，所述支点不同轴度包括静子连接件定心表面间配合间隙、静子连接件端面跳动及静子连接件定心表面径向跳动引起的轴的偏转，采用极值法累加各个静子连接件同轴度偏差量，形成支点间不同轴度。

优选的是，步骤S3中，进一步包括根据两个支点的不同轴度与两个支点的跨度的比值确定所述第三偏转角。

优选的是，步骤S3中，进一步包括对于双转子系统的中介轴承，按照中介轴承与相邻轴承跨度，换算高、低压两套转子在轴承处的偏转角。

优选的是，圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法还包括：步骤S5、将所述圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角与轴变形许用值进行比较，确定所述轴能够满足航空发动机实际应用需求。

本申请的关键点在于：

1.轴在圆柱滚子中介轴承处偏转角计算应考虑的结构和载荷因素。

2.各因素条件下计算偏转角极限值的方法，以及航空发动机转子刚度设计的评价方法。

3.计算的偏转角作为圆柱滚子中介轴承的设计输入。

本申请针对航空发动机转子轴与中介轴承设计特点，计算考虑的结构和载荷更加全面，充分引入了热载荷、离心载荷、机动载荷、双转子系统、支点同轴度等工程使用环境，计算结果更精确；本申请采用极限值计算结果可以与轴变形许用值进行比较，能够作为轴的刚度的评价条件，形成刚度评价方法满足航空发动机实际应用需求；通过该方法计算的轴在中介轴承处偏转角，使得航空发动机圆柱滚子轴承设计要求中首次引入抗偏转能力设计概念，解决了中介轴承在偏转载荷作用下的疲劳寿命设计要求问题。

附图说明

图1为本申请圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法的一优选实施例的流程图。

图2为本申请一优选实施例的轴承内、外环偏转角示意图。

图3为本申请图2所示实施例的轴与轴承配合端点位置示意图。

图4为本申请图2所示实施例的偏转角计算示意图。

图5为本申请一优选实施例的支点不同轴度模型示意图。

图6为本申请图5所示实施例的端面误差积累对机匣同心度的影响示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

针对航空发动机转子轴在圆柱滚子中介轴承处的弯曲变形偏转角计算，本申请提供一种极限值计算方法，叠加复杂结构和载荷极限条件对轴弯曲变形影响，最终获得准确的轴的弯曲变形偏转角，供轴的刚度校核、轴承抗偏斜能力设计使用，具体方法如图1所示，主要包括：

步骤S1、基于构建的航空发动机模型，选取俯仰方向和偏航方向最大过载系数，高、低压转子最高转速状态作为计算节点，以主安装节为原点，确定中介轴承处轴的第一偏转角；

步骤S2、基于构建的发动机高低压转子模型，选取最大热负荷及高、低压转子最高转速状态作为计算节点，确定由高低压转子的鼓筒轴锥度变化引起的中介轴承处轴的第二偏转角；

步骤S3、确定由支点不同轴度引起的轴的第三偏转角；

步骤S4、由所述第一偏转角、所述第二偏转角及所述第三偏转角累加确定圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角。

步骤S1主要涉及重力、机动过载作用下轴的挠曲变形计算。由于航空发动机结构十分复杂，因此建立简化模型，低压转子和高压转子及机匣用梁单元模拟，轴承、支承、安装节用弹簧元模拟；选取俯仰方向和偏航方向最大过载系数，高、低压转子最高转速状态点；以主安装节为原点，利用有限元分析软件MSC.Nastran计算中介轴承处挠度和偏转角。

本实施例中，安装节是指发动机与飞机的连接件，其用于将发动机的各种外传负荷传给飞机。

步骤S2涉及热载荷、离心载荷作用下的鼓筒轴锥度变形计算。轴承局部位置处轴在轴向温差作用下产生的径向热变形不同，引起鼓筒轴的锥度变化，轴一端的盘和叶片高速旋转时产生的离心力同样引起鼓筒轴锥度变化。鼓筒轴锥度与转子挠曲一样引起轴承内外环偏转，如图2所示。鼓筒轴锥度变形计算首先利用通用有限元分析软件ANSYS建立转子模型；选取最大状态点，一般为最大热负荷和最高转速状态点，计算轴的径向变形量；选择轴与轴承配合的端点位置，如图3所示，选取点A及点B进行计算，参考图4，分别计算两个端点的变形x1与变形x2，并根据两个端点的距离L确定倾斜角，即按照变形差与原始位置长度比值计算偏转角。

在一些可选实施中，对于双转子系统的中介轴承，分别确定高、低压两套转子在轴承处的偏转角，再根据偏转方向叠加偏转角度，形成所述第二偏转角。

步骤S3用于支点不同轴度引起的轴弯曲变形计算：航空发动机在实际装配和使用过程中，支撑轴的支点间存在不同程度的不同轴度，进而影响中介轴承位置处轴的偏转角。计算以支撑轴的定位轴承为基准，考虑影响发动机冷态支点不同轴的因素，主要包括静子连接件定心表面间配合间隙、静子连接件端面跳动(不平行度)、静子连接件定心表面径向跳动等3项因素，采用极值法累加各个静子连接件同轴度偏差量，形成支点间不同轴度，计算模型如图5和图6所示，按照不同轴度与支点跨度的比值计算偏转角。

对于双转子系统的中介轴承，按照中介轴承与相邻轴承跨度，换算高、低压两套转子在轴承处的偏转角。

最后在步骤S4中，累加上述极限状态计算获得的偏转角，即采用极限值计算方法获得的轴在中介轴承位置处的弯曲变形偏转角。

在一些可选实施方式中，圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法还包括：步骤S5、将所述圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角与轴变形许用值进行比较，确定所述轴能够满足航空发动机实际应用需求。

本申请充分引入了热载荷、离心载荷、机动载荷、双转子系统、支点同轴度等工程使用环境，计算结果更精确；本申请采用极限值计算结果可以与轴变形许用值进行比较，能够作为轴的刚度的评价条件，形成刚度评价方法满足航空发动机实际应用需求；通过该方法计算的轴在中介轴承处偏转角，使得航空发动机圆柱滚子轴承设计要求中首次引入抗偏转能力设计概念，解决了中介轴承在偏转载荷作用下的疲劳寿命设计要求问题。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，包括：

步骤S1、基于构建的航空发动机模型，选取俯仰方向和偏航方向最大过载系数，高、低压转子最高转速状态作为计算节点，以主安装节为原点，确定中介轴承处轴的第一偏转角；

步骤S2、基于构建的发动机高低压转子模型，选取最大热负荷及高、低压转子最高转速状态作为计算节点，确定由高低压转子的鼓筒轴锥度变化引起的中介轴承处轴的第二偏转角；

步骤S3、确定由支点不同轴度引起的轴的第三偏转角；

步骤S4、由所述第一偏转角、所述第二偏转角及所述第三偏转角累加确定圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角。

2.如权利要求1所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，步骤S1中，构建航空发动机模型时，低压转子和高压转子及机匣采用梁单元进行模拟，轴承、支承及安装节采用弹簧元进行模拟。

3.如权利要求1所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，步骤S2中，对于高压转子或者低压转子，根据轴与轴承配合的两个端点的距离及变形差确定轴在轴承处的锥度变形。

4.如权利要求3所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，对于双转子系统的中介轴承，分别确定高、低压两套转子在轴承处的偏转角，再根据偏转方向叠加偏转角度，形成所述第二偏转角。

5.如权利要求1所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，步骤S3中，所述支点不同轴度包括静子连接件定心表面间配合间隙、静子连接件端面跳动及静子连接件定心表面径向跳动引起的轴的偏转，采用极值法累加各个静子连接件同轴度偏差量，形成支点间不同轴度。

6.如权利要求5所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，步骤S3中，进一步包括根据两个支点的不同轴度与两个支点的跨度的比值确定所述第三偏转角。

7.如权利要求5所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，步骤S3中，进一步包括对于双转子系统的中介轴承，按照中介轴承与相邻轴承跨度，换算高、低压两套转子在轴承处的偏转角。

8.如权利要求1所述的圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角确定方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、将所述圆柱滚子中介轴承处轴的弯曲变形偏转角与轴变形许用值进行比较，确定所述轴能够满足航空发动机实际应用需求。

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